灯泡

背景

从最早的历史时期到 19 世纪初，火是人类的主要光源。这种光是通过不同的方式产生的——手电筒、蜡烛 ，石油和天然气灯。除了明火带来的危险（尤其是在室内使用时），这些光源也提供了不足的照明。

英国化学家汉弗莱戴维爵士首次尝试使用电灯。 1802 年，戴维证明了电流可以将金属薄片加热成白热，从而产生光。这是白炽灯（定义为在强烈的热量下发光）电灯的开始。下一个重大发展是弧光灯。这基本上是两个电极，通常由碳制成，彼此之间由一个短气隙隔开。施加到一个电极上的电流流向并流过另一个电极，从而在空气空间中产生一道光弧。弧光灯（或灯泡）主要用于户外照明；一大群科学家仍在竞相寻找有用的室内照明源。

阻碍商业上可行的白炽灯开发的主要困难是找到合适的发光元件。戴维发现铂是唯一可以在任何时间产生白热的金属。也使用了碳，但它在空气中迅速氧化。答案是开发一种真空，使空气远离元素，从而保护发光材料。

在新泽西州门洛帕克工作的年轻发明家托马斯·A·爱迪生 (Thomas A. Edison) 于 1870 年代开始研究自己的电灯形式。 1877 年，爱迪生参与了对令人满意的电光源的抢购，最初致力于确认竞争对手失败的原因。然而，他确实确定铂是比碳更好的燃烧器。爱迪生使用铂金于 1879 年 4 月获得了关于一种相对不实用的灯的第一项专利，但他继续寻找一种可以有效且经济地加热的元件。

爱迪生还修改了照明系统的其他组件，包括构建自己的电源和设计突破性的布线系统，可以同时处理多个灯。然而，他最重要的发现是发明了一种合适的灯丝。这是一种非常细的线状电线，对电流的通过具有很高的抵抗力。大多数早期的灯丝都很快烧毁，从而使这些灯在商业上毫无用处。为了解决这个问题，爱迪生又开始尝试用碳作为照明手段。

他最终选择了碳化棉线作为长丝材料。灯丝被夹在铂丝上，铂丝将携带电流进出灯丝。然后将该组件置于在颈部熔化的玻璃灯泡中（称为 密封）。 真空泵从灯泡中排出空气，这是一个缓慢但至关重要的步骤。将连接到从玻璃灯泡伸出的电流的引入线。

1879 年 10 月 19 日，爱迪生对这种新灯进行了第一次测试。它运行了两天零 40 小时（10 月 21 日——灯丝最终烧毁的那一天——是第一个商用灯发明的通常日期）。当然，这款原装灯经过了多次修改。制造工厂的建立是为了批量生产灯泡，并且在布线和电流系统方面取得了巨大进步。然而，今天的白炽灯泡与爱迪生最初的灯非常相似。主要区别在于钨丝的使用、各种用于提高效率的气体以及将灯丝加热到更高温度而增加的发光度。

尽管白炽灯是第一种也是最便宜的灯泡类型，但还有许多其他灯泡可用于无数用途：

• 卤钨灯
• 荧光灯是含有汞蒸气和氩气的玻璃管。当电流通过管子时，它会导致汽化的汞放出紫外线能量。然后，这种能量会撞击覆盖在灯内部的磷光体，发出可见光。
• 汞蒸气灯有两个灯泡——弧光管（由石英制成）位于保护玻璃灯泡内。弧光管含有比荧光灯压力更高的汞蒸气，因此允许蒸气灯在不使用磷光体涂层的情况下发光。
• 氖灯是玻璃管，充满氖气，在其中发生放电时会发光。光的颜色由气体混合物决定；纯氖气发出红光。
• 金属卤化物灯主要用于室外体育场和道路，含有金属和卤素的化合物。这种灯的工作方式与汞蒸气灯大致相同，不同之处在于金属卤化物在不使用磷光体的情况下可以产生更自然的色彩平衡。
• 高压钠灯也类似于汞蒸气灯；然而，弧光管是由氧化铝而不是石英制成的，它含有钠和汞的固体混合物。

托马斯 A. 爱迪生（中，戴帽子）与工作人员在他位于新州门洛帕克的实验室球衣。这张照片拍摄于 1880 年。

早在 1830 年代，就有超过 20 位发明家制造了白炽电灯，而这正是托马斯爱迪生进入搜索领域的时候。 1870 年代是关键的十年，生产技术和需求力量相结合，使寻找具有商业可行性的电灯成为这个时代的高科技、高风险竞赛。爱迪生在新泽西州门洛帕克的乡村建立了他的研究实验室，位于纽约市和费城的中间。实验室大楼和几座附属建筑建于 1876 年，爱迪生利用他的电报发明创造了利润。他最初打算从任何需要他帮助的投资者那里接手项目，并继续在电报和电话系统方面实现自己的想法。他说他认为实验室可以每十天产生一项新发明，每六个月产生一次重大突破。

1877 年，爱迪生决定参加广为人知的灯泡竞赛，并扩大了他的实验室设施，包括一个机械车间、一个办公室和一个研究图书馆。随着爱迪生处理整个照明系统，从发电机到绝缘体再到白炽灯泡，工作人员从 12 人增加到 60 多人。一路走来，爱迪生创造了一个新的发明过程，精心策划了一种团队方法，将资金、材料、工具和技术工人聚集到一个“发明工厂”中。因此，对灯泡的探索说明了后来由通用电气、西屋电气和其他公司开发的新的研发形式。

威廉 S. Pretzer

原材料

本节以及以下一节（制造过程）将重点介绍白炽灯泡。如前所述，在 20 世纪初期钨成为首选金属之前，灯丝使用了许多不同的材料。虽然极其脆弱， 灯泡的主要成分之一，灯丝，是通过将钨和粘合剂混合然后拉丝制成的将混合物变成围绕钢芯轴的细金属丝。加热电线，然后用酸溶解心轴，灯丝呈现其适当的盘绕形状。钨丝可以承受高达 4500 华氏度（2480 摄氏度）及以上的温度。钨丝的开发被认为是灯泡技术的最大进步，因为这些灯丝的生产成本低廉，而且使用寿命比以前的任何材料都长。

连接线或引入线通常由镍铁线（称为 dumet 因为它使用两种金属）。将这根金属丝浸入硼砂溶液中，使金属丝更贴合玻璃。灯泡本身由玻璃制成，并含有气体混合物，通常是氩气和氮气，可延长灯丝的使用寿命。空气从灯泡中抽出并被气体取代。标准化的底座将整个组件固定到位。底座，被称为“爱迪生螺丝底座”，最初由黄铜制成，并用熟石膏和后来的 瓷器绝缘。 今天，铝用于外部，玻璃用于隔离底座内部，从而产生更坚固的底座。

制造
过程

灯泡的用途范围从路灯到汽车 头灯到手电筒。对于每次使用，单个灯泡的尺寸和瓦数都不同，这决定了灯泡发出的光量 （流明）。 然而，所有的白炽灯泡都具有三个基本部分——灯丝、灯泡和灯座。最初由手工生产的灯泡制造现在几乎完全自动化。

灯丝

• 1 灯丝是通过称为 拉伸的过程制造的， 其中钨与粘合剂材料混合并通过模具（一个成形的孔口）拉成细线。接下来，将电线缠绕在称为 心轴 的金属棒上 为了将其成型为适当的盘绕形状，然后在称为 退火的过程中对其进行加热。 这个过程软化了线材，使其结构更加均匀。然后将心轴溶解在酸中。
• 2 盘绕的灯丝连接到引入线。引入线的末端有钩子，可以压在灯丝的末端，或者在较大的灯泡中点焊。

玻璃灯泡

• 3 玻璃灯泡或外壳是使用带式机器生产的。加热后 几乎整个灯泡制造过程都是自动化的。玻璃灯泡由带式机器吹制，每小时可生产 50,000 多个灯泡。在灯丝和阀杆组件插入灯泡后，灯泡内的空气被抽空并泵入氩气/氮气混合物。最后，底座被密封。一个熔炉，一条连续的玻璃带沿着传送带移动。精确对齐的空气喷嘴通过传送带上的孔将玻璃吹入模具中，从而形成外壳。以最高速度运行的色带机每小时可生产 50,000 多个灯泡。套管吹制后，冷却后从织带机上切下。接下来，灯泡内部涂有二氧化硅，以消除由发光的未覆盖灯丝引起的眩光。然后将公司标志和灯泡瓦数印在每个外壳的外顶部。

基础

• 4 灯泡的底座也是用模具制造的。它由螺钉形状的凹痕制成，因此可以轻松安装到灯具的插座中。

组装

• 5 灯丝、灯座和灯泡制成后，通过机器将它们组装在一起。首先，将灯丝安装到杆组件上，其末端夹在两根引入线上。接下来，灯泡内的空气被排空，外壳充满氩气和氮气混合物。这些气体确保灯丝的使用寿命更长。钨最终会蒸发并破裂。当它蒸发时，它会在灯泡上留下黑色沉积物，称为 灯泡壁变黑。
• 6 最后，将底座和灯泡密封。底座滑到玻璃灯泡的末端，因此不需要其他材料将它们保持在一起。取而代之的是，它们一致的形状允许将两个部件紧密地固定在一起，引入线接触铝基以确保正确的电气接触。测试后，灯泡被放入包装中并运送给消费者。

质量控制

灯泡经过灯泡寿命和强度测试。为了快速提供结果，选定的灯泡被拧入寿命测试架，并以远远超过其正常燃烧强度的水平点亮。这提供了关于灯泡在正常条件下的持续时间的准确读数。测试在所有制造工厂以及一些独立的测试设施中进行。大多数家用灯泡的平均寿命为 750 到 1000 小时，具体取决于瓦数。

未来

白炽灯泡的未来是不确定的。虽然加热灯丝直到它发光肯定是一种令人满意的发光方式，但它的效率极低：提供给典型灯泡的电力的大约 95% 转化为热量，而不是光。在资源日益减少、节能变得越来越重要的世界中，这种低效率最终可能会使白炽灯泡变得不切实际。

已经有其他光源可以取代白炽灯泡。例如，荧光灯管已经在工业市场占据主导地位，毫无疑问，它们也将越来越多地用作家用光源。荧光灯泡使用的能量至少比白炽灯泡少 75%，并且可以使用 20 倍的时间。最近开发的“紧凑型”荧光灯泡，不同于标准荧光灯管可以拧入典型的家用灯，可能会扩大荧光灯的国内市场。

最近的另一个发展是“无线电波灯泡”，这种灯泡通过将能量从无线电波发生器传输到水银云来产生光，水银云又会产生紫外线。灯泡上的荧光粉涂层然后将紫外线转换为可见光。此类灯泡的能耗仅为白炽灯泡的 25%，并且可以使用十年或更长时间。它们也可以与白炽灯泡完全互换。